행렬(4) 케일리-해밀턴 정리




케일리-해밀턴 정리
Cayley-Hamilton theorem


"행렬의 거듭제곱을 아주 쉽게 구할 수 있어요"
" the easiest way
to find powers of a matrix "








케일리-해밀턴 정리가 표준 교과의 범위를 벗어난다는 이유로, 최근 들어서는 행렬의 거듭제곱유형 문제들은 행렬을 n = 부터 하나씩 계산해  규칙성을 찾아내는 방식으로  많이 출제되고 있습니다.


그럼에도 불구하고, 아직도 많은 기출문제 유형에서 행렬의 거듭제곱 계산을 편리하게   있도록 방법으로 케일리-해밀턴 정리가 활용되고 있습니다.              


 원리를 이용한 유형은 대부분 곱셈공식이나 인수분해가 가능한 문제들로혼합 연계된 형태로 자주 출제되고 있고, 앞으로 배우게  역행렬의 연계형 문제에서도 자주 활용되니까확실하게 이해하고 외워 두는 것이 유리합니다.


현재 고 1부터는 이 [행렬단원을 개정된 표준교과에 따라배우지 않습니다만심화유형의 수열이나 벡터에서는 행렬의 기본개념이 필요하다는 점도 알아 두기 바랍니다.

 [행렬단원은 구 고등과정 교과표준에 따라 (2×2) 행렬을 기준으로 설명합니다.

  




               






행렬 A = [ a b ]  일 때아래의 식 값을 한 번 계산해 볼까요?
               c d ]


A2 – (a + d) A + (ad – bc) E


a b ] * a b ] – (a + d) a b ] + (ad – bc) [ 1 0 ]
c d ]   c d ]               c d ]                   [ 0 1 ]


= [ a2+bc  ab+bd ] – (a + d) a b ]  + (ad – bc) [ 1 0 ]
   [ ca+dc   cb+d2 ]              c d ]                    [ 0 1 ]


= [ a2+bc  ab+bd ] – a2+da  ab+db ] + [ adbc       0 ]
   [ ca+dc   cb+d2 ]   ac+dc   ad+d]    [ 0       adbc ]


= [ a2+bca2da+adbc      ab+bdabdb+0 ]
   [ ca+dcacdc+0       cb+d2add2+adbc ]


= [ 0  0 ]
   [ 0  0 ]

 = O




위의 결과인 A2 – (a + d) A + (ad – bc) E = O 을 '케일리-해밀턴 정리라고 하고행렬의 거듭제곱 계산에서 매우 편리하게 활용됩니다.


참고로우리나라에서는 (2 x 2) 의 단위행렬을 ‘E’ 라고 표현하지만영미권 국가에서는 ‘I2‘ 라고 표현합니다.





예를 들어행렬 A = [ 1  2 ] 일 때, A4 의 값을 한번 계산해 볼까요?
                                [ 3  4 ]



케일리-해밀턴의 식, A2 – 5A – 2E = O 을 이용해서 아래와 같이 한 단계씩 차수를 낮추어 나가면 됩니다.


A4

= (A2)2

= (5A + 2E)2

= 25A2 + 20A + 4E

= 25(5A + 2E) + 20A + 4E

= 145A + 54E


= 145 * [ 1  2 ] + 54 * [ 1  0 ] 
           [ 3  4 ]           [ 0  1 ]

= [ 199   290 ]
   [ 435   634 ]





비슷한 연습 문제를 하나 더 풀어 볼까요?



A = [ 1  0 ] 라고 할 때, A4 – 2A3 + 3A2 + A 를 와 만으로 간단하게 표현하여라.
      [ 3  2 ]





(1) 우선케일리-해밀턴 정리를 이용하면, A2 = 3A – 2E 이니까, 이를 이용하면 차수를 하나씩 낮추어 나갈 수 있겠지요?


A4 – 2A3 + 3A2 + A

= (3A – 2E) 2 – 2A(3A – 2E) + 3(3A – 2E) + A

= 3A2 + 2A – 2E

= 3(3A – 2E) + 2A – 2E

= 11A – 8E





               




이번에는삼차방정식 x3 = 1 의 성질과 매우 유사한행렬 방정식의 유형을 살펴 보도록 합니다.



여기서 잠깐가장 간단한 삼차방정식 x3 – 1 = 0  복습해 보도록 할까요?


(1) 우선삼차방정식의 좌변을 인수분해하는 것이 좋겠지요아래의 인수분해 공식에서 a  b 대신에 x  1  각각 대입하면,

a3 – b3 = (a – b)(a2 + ab + b2)

x3 – 1 = (x – 1)(x2 + x + 1)



이제삼차방정식의 좌변이 인수분해 되니까근의 공식을 이용해서 쉽게 해를 구할 수 있습니다.

x3 = 1

x3 – 1 = (x – 1)(x2 + x + 1) = 0

∴   (a)  x – 1 = 0    or    (b)  x2 + x + 1 = 0



(2) 따라서(a) x – 1 = 0 식에서 실근인 x = 1 이 구해지고(b) x2 + x + 1 = 0 에서 개의 허근 합하여모두  개의 해를 구해낼  있습니다.


= {–1+(1– 4)}/2 = (–1+√3i )/2 ω

or

= {–1(1– 4)}/2 = (–1√3i )/2 ω* (ω bar)




(3) 이 때ω 와 ω* 는 x3 – 1 = 0 이라는 삼차 방정식의 해이기도 하니까,

ω3 = (ω*)3 = 1





바로 이러한 원리로x2 + x + 1 = 0 이라는 식이 주어졌다면x3 = 1 도 성립합니다.

마찬가지로x2 – x + 1 = 0 이라는 식이 주어졌다면x3 = – 1 도 만족해야 합니다.

워낙 고등수학 전반에서 자주 등장하는 중요한 성질이니까반드시 외워두기 바랍니다.




               




와 로만 이루어진 행렬식에서는실수에서 배운 곱셈공식과 인수분해 공식이 그대로 적용되니까위에서 복습했던 삼차방정식 x3 = 1 의 성질도 그대로 활용됩니다.


행렬에서는실수에서의 과 같은 곱셈의 항등원이 가 되니까위에서 복습했던 내용을 아래와 같이 행렬의 공식으로 바꿀 수 있습니다.





(1) if A2 + A + E = O,       then   A3 = E

(2) if A2 – A + E = O,     then   A3 = – E







자 그럼관련된 예제를 한 번 풀어 볼까요?




A = [  1    1 ] 라 할 때,
   [ –1   0 ]           

 A1000 + A999 + A998 + A997 를 구하여라.




(1) 우선케일리-해밀턴 정리를 적용하면, A2 – A + E = O 이니까,
 앞에서 공부하고 정리했던 대로 A3 = – E



(2) 대입해서 계산하면, A999 = (A3) 333 = – E 가 되니까준식에 대입하면,

A1000 + A999 + A998 + A997

= – A – E + A2 + A



(3) 그런데, A2 – A + E = O 라고 했으니까,

= – A – E + (A – E) + A

= A – 2E

   따라서답은  [ –1    1 ]
                        [ –1   –2 ]   





위의 공식들은 앞으로 배우게 될 역행렬에서도 자주 등장하는 매우 중요한 내용이니까확실하게 이해해 두고반드시 외워 두기 바랍니다.

케일리-해밀턴 정리의 역은 심화 개념이므로, 다음에 별도로 설명합니다.




               

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제곱근(5) 제곱근의 성질







제곱근의 성질
square root rules


"제곱근은 이차방정식을 향한 관문이예요"
" square root is a gateway to
solving quadratic equations "









원칙적으로  과정에서는 실수 범위 내에서의 제곱근 루트 기호 안의 부호가 (–)  아닌 경우만을 배우고 과정부터 비로소 음수 (–)  제곱근인 허수 복소수 범위까지 공부하는 것이 표준 교과입니다만,

 3 과정이라 하더라도문자로 표시되는 일부의 심화수준의 문제에서는 실질적으로는 음수(–) 제곱근의 경우도 포함되는 경우가 있습니다.


상위권 학생이나 이과 지망생들의 경우에는   과정의 중복  심화되는 내용에 대해서는 어느 정도의 선행학습도 불가피한 것이 현실이므로,

기초적인 수준에서 음수 (–)  제곱근인 허수 또는 복소수의 개념도 추가로 설명할 예정이니 기본적인 개념과 계산방법 등을 정확하게 이해해 두기 바랍니다.





               






앞의 제곱근의 곱셈에서 이미 공부한 대로, (3)2 = 3  됩니다문자로 일반화 시켜서 표현한다면(P)2 = P  되지요.

)2 = ( ) * ( ) = 3

( – )2 = ( – ) * ( – ) = 3




참고로고등수학 과정인 허수 (복소수 해당하지만위의  성질은  음수 (–)  경우에도 항상 성립합니다.

(  )2

= (  ) * (  )

= (  *   1 ) * (  *   1 )

= (  * ) * (  * )

=   *   *  *  

= 3 * 2

= – 3



∴  ( P )2 = P for any real number P

e.g.

(  k )2 = – k






그렇다면모양이 조금 다른 √(P2) 은 어떻게 계산할  있을까요?


 질문은 조금 어려운 문제이니까, P  (1) 양수 (+)   (2) 음수 (–)   나누어 살펴보기로 합니다.




(1) P  양수 (+)  

예컨데, √(52) = 5

∴  √(P2) = P




(2) P  음수 (–)  

예컨데, √{(–5)2} = (25) = 5

= – ( – 5)

∴  √(P2) = – P





(3) 앞에서 배웠던 절대값의 성질과 똑같지요따라서표준수학에서는 아예 절대값으로 정의하고 있으니반드시 외워두기 바랍니다.


√(P2) = | P |

↱ = P      if P ≥ 0
↳ = – P   if P < 0






그러면공부한 내용을 문자로 일반화시켜서공식으로 정리해 두도록 할까요?



임의의 실수 P  대하여,
(1) (P)2 = P

(2) √(P2) = | P |






따라서(+) 실수 A, B  대하여는 아래와 같은 규칙이 성립한다는 것을   있습니다.


√(A2 * B)

√(A2) * B
    (+)       .
= | A | * B

= AB



  √(A2 * B) = AB  또는  AB = √(A2 * B)






그러면관련된 연습문제들을 풀어 보도록 할까요?



아래의 식을 간단히 하여라.

 108  ÷  18  x  200  ÷  75 




우선주어진 식을 AB  형태로 바꾸는 것이 좋겠지요?


 108  ÷  18  *  200  ÷  75 

√(3 * 62) ÷ √(2 * 32) √(2 * 102÷ √(3 * 52)

= 6÷ 32 * 102 ÷ 5√3

= (63 * 102) / (32 * 5√3)

= (6 * 10) / (3 * 5)

= 4








아래의  무리수 중에서 가장 작은 것을 찾아내라.

4 2 ,  3 3 ,  2 7 




(1) 우선주어진 수들을 같은 기준으로 비교하려면 √(A2 * B)  형태로 바꾸어야 하겠지요?


4 2  = √(42 * 2)  32 

3 3  = √(32 * 3)   27 

2 7  = √(22 * 7)   28 



(2) 이제앞에서 배웠던 양수(+) A, B  대하여 A = B  A2 = B2  동치 필요충분조건 이라는 것을 이용하면 되겠지요?

27 < 28 < 32

  33 < 27 < 42






그러면이번에는 문자로 표현된조금 어려운 연습문제들을 풀어 보도록 할까요?



a < 0 이고, b < a  아래의 식을 간단히 하여라.

√(9 * a2) + {4 * (b – a2)} – {(  a)2}





(1) 우선√(P2 형태로 바꾸어야 하겠지요?


√(9 * a2) + {4 * (b – a2)} – {(  a)2}

√(3a)2 + {2(b – a)}2 –  a)2




(2) 이제√(P2) = | P |  이용한 다음, 각 항들의 부호를 살펴보면 됩니다.


.  (–)             (–)          (+)
= | 3a | + | 2(b – a) | – | – a |




(3) 마지막으로절대값 안의 부호에 따라 계산하면,


= – 3a – 2(b – a) – ( – a )

= – 3a – 2b + 2a + a

= – 2b






마지막으로 한 문제 더 풀어 보도록 할까요?



0 < a < 1 아래의 식을 간단히 하여라.

√{a + (1/a)}2 + {√( a)}2 – {a  (1/a)}2





(1) 우선√(P2) = | P |  (√P)2 = P  이용하면 되겠지요?


√{a + (1/a)}2 + {√( a)}2 – {a  (1/a)}2

.  (+)                          (–)
= | a + (1/a) | + ( – a) – a – (1/a) |




(2) 절대값 안의 부호에 따라간단히 하면,


= a + 1/a – a – ( – a + 1/a)

= a + 1/a – a + a  1/a

= a






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두 직선의 위치관계 Solution 12131

Solution  1 2131 1. 각기둥의 높이     두 면(밑면)이 서로 평행하고 합동인 다각형으로 이루어진 입체도형을 각기둥이라고 합니다.      밑면이 삼각형이면 삼각기둥 이라고 하 고,  두 밑면 사이의 (최단)거리를 높이 라고 하지요....